Beispiel-Abiturprüfung

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1 Mathematik Beispiel-Abiturprüfung Prüfungsteil B Arbeitszeit: 80 Minuten Bei der Bearbeitung der Aufgaben dürfen als Hilfsmittel verwendet werden die vom Staatsministerium genehmigte Merkhilfe für das Fach Mathematik, eine der vom Staatsministerium zugelassenen stochastischen Tabellen, eine der vom Staatsministerium für Leistungserhebungen zugelassenen naturwissenschaftlichen Formelsammlungen, ein Taschenrechner, der hinsichtlich seiner Funktionalität den vom Staatsministerium getroffenen Regelungen entspricht. Zu den Themengebieten Analysis, Stochastik und Geometrie wählt der Fachausschuss jeweils eine Aufgabengruppe zur Bearbeitung aus. Die zu einer Aufgabengruppe gehörenden Aufgaben im Prüfungsteil B dürfen nur in Verbindung mit den zur selben Aufgabengruppe gehörenden Aufgaben im Prüfungsteil A bearbeitet werden. Name des Prüflings Das Geheft mit den Aufgabenstellungen ist abzugeben.

2 Analysis Aufgabengruppe Gegeben ist die Funktion h: mit Definitionsbereich IR. Der Graph von h wird mit G h bezeichnet. 3 a) Geben Sie die Nullstellen von h an und zeichnen Sie G h in ein Koordinatensystem ein. 6 b) Dem Flächenstück, das G h mit der -Achse vollständig einschließt, werden Rechtecke so einbeschrieben, dass jeweils eine Seite des Rechtecks auf der -Achse liegt. Berechnen Sie den größtmöglichen Flächeninhalt A eines solchen Rechtecks. (Ergebnis: A 6 3 ) 9 4 c) Berechnen Sie den Anteil (in Prozent), den das Rechteck mit dem Flächeninhalt A am Inhalt des Flächenstücks einnimmt, das G h mit der -Achse vollständig einschließt. Gegeben sind die in IR definierten Funktionen 4 q: e cos p: e 4 und. Die Abbildung zeigt den Graphen G q von q für 0. 4 a) Untersuchen Sie das Monotonieverhalten des Graphen von p und geben Sie das Verhalten von p für und an. Geometrie Aufgabengruppe Die Abbildung zeigt einen Würfel der Kantenlänge 6. Die Koordinaten der Eckpunkte A 0 0 0, D0 6 0 und G sind gegeben. 5 a) Die Punkte B, E und G liegen in einer Ebene L. Bestimmen Sie eine Gleichung von L in Normalenform. Zeichnen Sie die Figur, in der die Ebene L den Würfel schneidet, in die Abbildung ein. (mögliches Ergebnis: L: 3 6) 4 b) Der Würfel wird entlang der Ebene L geteilt. Berechnen Sie das Volumen der entstehenden Pyramide. Geben Sie an, wie viel Prozent des Würfelvolumens die Pyramide einnimmt. Die Ebene M: 3 3 schneidet den Würfel in einem regulären Sechseck. 4 c) Begründen Sie, dass M parallel zu L ist. Geben Sie die Schnittpunkte von M mit der -Achse sowie mit der 3 -Achse an und weisen Sie nach, dass M den Mittelpunkt der Strecke BC enthält. 3 d) Zeichnen Sie die sechs Punkte, in denen M die Kanten des Würfels schneidet, sowie die sechseckige Schnittfigur in die Abbildung ein. 4 e) Jede Ebene, die parallel zu M verläuft, wird durch eine Gleichung der Form 3 p mit p IR beschrieben. Nennen Sie die Arten der Figuren, in denen eine solche Ebene den Würfel schneiden kann, und geben Sie die Menge aller Werte von p an, für die die Schnittfigur ein Sechseck ist. 0

3 Geometrie Aufgabengruppe Eine flache Landschaft, in der sich ein Flughafen befindet, lässt sich modellhaft durch die -Ebene eines kartesischen Koordinatensystems beschreiben. Die -Achse zeigt in Richtung Osten, die -Achse in Richtung Norden; eine Längeneinheit im Modell entspricht km in der Landschaft. Ein Flugzeug F steigt unmittelbar nach dem Abheben von der Startbahn geradlinig auf im Modell vom Punkt P aus entlang der Geraden 5 g :X P λ 5, λ IR. Die Flugbahn eines Flugzeugs F verläuft im Modell entlang der Geraden 40 0 g :X 50 μ 0 0 0, μ IR. 3 a) Geben Sie die Himmelsrichtung an, in der F fliegt, und begründen Sie, dass F eine konstante Flughöhe hält. 4 b) Berechnen Sie die Größe des Steigungswinkels der Flugbahn von F gegen die Horizontale. 5 c) Bestätigen Sie rechnerisch, dass sich die Flugbahnen der beiden Flugzeuge senkrecht schneiden. Begründen Sie, dass die Flugzeuge dennoch auch bei unveränderten Flugbahnen nicht zwingend kollidieren. d) Der Richtungsvektor von g beschreibt im Modell die konstante Geschwindigkeit des Flugzeugs F in km min. Geben Sie die physikalische Bedeutung des Parameters µ an. 6 e) Eine Radarstation, deren Position im Modell durch den Punkt R veranschaulicht wird, erfasst alle Objekte im Luftraum bis zu einer Entfernung von 50 km. Berechnen Sie die Länge der Flugstrecke von F in dem vom Radar erfassten Bereich b) Berechnen Sie die Funktionswerte p 0, p π, p π, p 3π und p 4π. Zeichnen Sie für 0 den Graphen von p sowie den Graphen der in IR definierten Funktion p: p unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse in die Abbildung ein. 3 c) Der Funktionsterm von q entsteht aus dem Term der in IR definierten Kosinusfunktion cos durch Multiplikation mit p. Beschreiben Sie, wie sich der Graph von q aufgrund dieser Multiplikation vom Graphen der Kosinusfunktion unterscheidet. Gehen Sie dabei auch auf die Nullstellen von q und die Funktionswerte qnπ mit n Z ein. 6 d) Berechnen Sie den Term q der ersten Ableitung von q und weisen Sie für die Funktion q nach, dass für die Etremstellen tan 0,5 gilt. Zeigen Sie damit, dass die Etremstellen von q nicht mit den Etremstellen der Kosinusfunktion übereinstimmen. 4 e) Entscheiden Sie, ob die folgenden Aussagen wahr oder falsch sind; machen Sie jeweils Ihre Entscheidung plausibel. α) lim q β) lim q 0 3 f) Die in IR definierte Funktion 6 Q: e 4 sin cos Stammfunktion von q. π Zeigen Sie rechnerisch, dass 0 ist eine 7 4 q d 0 gilt, und deuten Sie die Aussage dieser Ungleichung am Graphen von q. 3 g) Es gibt Werte a IR, für die a 0 q d 0 gilt. Geben Sie einen solchen Wert an und begründen Sie Ihre Antwort ohne zu rechnen. 40 3

4 Analysis Aufgabengruppe Gegeben ist die in IR definierte Funktion von f wird mit G f bezeichnet. f: 3 e. Der Graph a) Bestimmen Sie das Verhalten von f an den Grenzen der Definitionsmenge. 5 b) Zeigen Sie, dass G f genau einen Hochpunkt besitzt, und geben Sie dessen Koordinaten an. (zur Kontrolle: -Koordinate des Hochpunkts: ln 3 ) 3 c) Berechnen Sie f 0 sowie f3 und skizzieren Sie G f unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse in einem Koordinatensystem. 3 d) Im Intervall ;3 besitzt f genau eine Nullstelle a. Bestimmen Sie einen Näherungswert von a, indem Sie den ersten Schritt des Newton-Verfahrens mit dem Startwert 3 durchführen. Man erhält dadurch a auf zwei Dezimalen genau. (Ergebnis: a,8 ) 5 e) Berechnen Sie durch Integration mithilfe des Näherungswerts von a einen Näherungswert für den Inhalt des Flächenstücks, das G f im ersten Quadranten mit der -Achse einschließt. Betrachtet wird nun die in IR definierte Funktion F: f t dt. a 4 f) Geben Sie an, welche besonderen Eigenschaften der Graph von F im Punkt a F a hat; begründen Sie jeweils Ihre Antwort. g) Geben Sie den Zusammenhang zwischen der Funktion F und dem Ergebnis der Aufgabe e an. Jeder Körper sendet elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Frequenzen aus; die Intensität der Strahlung hängt von der Frequenz der Strahlung ab. Im Idealfall lässt sich diese Intensität nach Ma Planck durch die Schar der in IR definierten Funktionen I : T 3 e T mit T IR beschreiben. Dabei ist bis auf eine Konstante die Frequenz der Strahlung und T die Temperatur des Körpers in Kelvin. Ein Unternehmen lässt im Rahmen von Bewerbungsverfahren graphologische Gutachten zu den Personen erstellen, die sich um eine Stelle bewerben. Im Mittel werden 5 % der Bewerber aufgrund ihres graphologischen Gutachtens abgewiesen. Für eine Stelle bewerben sich 0 Personen. 3 a) Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Anzahl derjenigen Bewerber, die aufgrund ihres graphologischen Gutachtens abgelehnt werden, kleiner als die dafür im Mittel zu erwartende Anzahl ist. 4 b) Kann die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Zufallsvariable einen Wert annimmt, der kleiner als ihr Erwartungswert ist, größer als 50 % sein? Begründen Sie Ihre Antwort

5 Stochastik Aufgabengruppe Mithilfe der Graphologie werden aus der Handschrift einer Person Rückschlüsse auf deren Persönlichkeit gezogen. An einer Fachschule für Graphologie ist eine Dozentenstelle neu zu besetzen. Den Bewerbern sollen im Rahmen eines Vortests Schriftproben vorgelegt werden. Jede Schriftprobe stammt entweder von einer entscheidungsfreudigen oder von einer zögerlichen Person; dies soll dem jeweiligen Bewerber mitgeteilt werden, der sich anschließend bei jeder Schriftprobe entscheiden muss, ob er sie einer entscheidungsfreudigen oder einer zögerlichen Person zuordnet. Ein Bewerber soll den Vortest bestehen, wenn er sich bei mehr als zwei Dritteln der vorgelegten Schriftproben richtig entscheidet. 5 a) Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Bewerber, der nur rät, den Vortest besteht, wenn man ihm zwölf Schriftproben vorlegen würde. Die Schulleitung fordert, den Vortest so zu gestalten, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, den Vortest zu bestehen, für einen Bewerber, der nur rät, höchstens 3 % beträgt. Man entscheidet sich dafür, die Anzahl vorgelegter Schriftproben auf 30 festzulegen. 3 b) Zeigen Sie, dass mit dieser Festlegung die Forderung der Schulleitung erfüllt ist. 3 c) Ermitteln Sie auf fünf Prozent genau, wie groß die Wahrscheinlichkeit dafür, sich bei einer Schriftprobe richtig zu entscheiden, für einen Bewerber mindestens sein muss, damit die Wahrscheinlichkeit dafür, dass er den Vortest besteht, mindestens 90 % beträgt. d) Der Vortest kann als einseitiger Hypothesentest mit einem Signifikanzniveau von 3 % gedeutet werden. Geben Sie dazu die Nullhypothese sowie den Ablehnungsbereich an. Die Abbildung zeigt die zu drei Werten des Parameters T gehörenden Graphen von I T. Bei der Bearbeitung der folgenden Aufgaben soll auf die Verwendung von Einheiten verzichtet werden. 3 a) Weisen Sie anhand des Funktionsterms von I T nach, dass der Wert der Intensität der Strahlung stets positiv ist. 6 b) Zeigen Sie, dass für die erste Ableitung der Funktion I T gilt: T e T T e 3 e T T I Vergleichen Sie diesen Term mit dem der Funktion f aus Aufgabe und begründen Sie, dass die Funktion I T bei a T ihr einziges Maimum besitzt, wenn a die positive Nullstelle von f ist. c) Das Maimum der Intensität der Strahlung unserer Sonne liegt bei 3 ma 7 0. Bestimmen Sie damit einen Näherungswert für die Oberflächentemperatur der Sonne. 3 d) Jeder der in der Abbildung dargestellten Graphen I, II und III gehört zu genau einer der Temperaturen 4000 K, 6000 K und 8000 K. Ordnen Sie die Temperaturen den Graphen zu und begründen Sie Ihre Zuordnung. 3 e) Wird die Temperatur T eines Körpers verdoppelt, so nimmt das Maimum der Intensität seiner Strahlung den achtfachen Wert an. Begründen Sie diese Tatsache

6 Stochastik Aufgabengruppe Die Abbildung zeigt Daten zu den Rauchgewohnheiten der Bevölkerung Deutschlands, die das Statistische Bundesamt auf der Grundlage einer repräsentativen statistischen Erhebung veröffentlicht hat. Der Abbildung lässt sich beispielsweise entnehmen, dass 7 % der 65- bis 69- jährigen Männer rauchen. Somit kann im Folgenden davon ausgegangen werden, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein zufällig ausgewählter Mann aus dieser Altersgruppe raucht, 7 % beträgt. a) Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein zufällig ausgewählter 5- bis 9-jähriger Mann Nichtraucher ist. b) Ermitteln Sie, wie viel Prozent der Bevölkerung in der Altersgruppe der 5- bis 9-Jährigen rauchen. Gehen Sie dabei davon aus, dass zu dieser Altersgruppe gleich viele Frauen und Männer gehören. 3 c) In einem Zeitungsartikel ist zu lesen, dass die Anzahl rauchender Männer im Alter von 40 bis 44 Jahren mit, Millionen größer ist als die entsprechende Anzahl unter den 5- bis 9-Jährigen mit 0,9 Millionen. Erläutern Sie, unter welcher Voraussetzung diese Zeitungsmeldung mit der Abbildung in Einklang stehen kann. 4 Vier Frauen wurden zufällig ausgewählt. Zwei gehören zur Altersgruppe der 40- bis 44-Jährigen und jeweils eine zu den Altersgruppen der 55- bis 59- Jährigen und 65- bis 69-Jährigen. Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit dafür, dass unter den ausgewählten Frauen mindestens eine Raucherin ist. 3 Zehn 40- bis 44-jährige Frauen wurden zufällig ausgewählt. 4 a) Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeiten folgender Ereignisse: A: Unter ihnen sind genau drei Raucherinnen. B: Unter ihnen sind höchstens vier Raucherinnen. 5 b) Ein Skeptiker nimmt an, dass der Anteil der Raucherinnen unter den 40- bis 44-jährigen Frauen größer als 30 % ist. Er testet die Nullhypothese H:p 0 0,3 ; dabei gibt p die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass eine 40- bis 44-jährige Frau raucht. Im Rahmen des Tests stellt er jeder der zehn ausgewählten Frauen die Frage Rauchen Sie? und erhält dabei folgende Antworten: Ja Nein Ja Nein Ja Ja Nein Nein Nein Ja. Untersuchen Sie, ob das Ergebnis der Befragung die Annahme des Skeptikers auf einem Signifikanzniveau von 5 % stützt